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Cientistas criam acelerador de partículas que cabe em um chip

POR Bruno Dias EM Curiosidades 07/01/20 às 11h05

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A máquina que impulsiona partículas carregadas, quase na velocidade da luz, é chamada de acelerador de partículas. Ela foi inventada em 1930 e foi responsável pela descoberta de uma partícula inovadora chamada de Bóson de Higgs. Geralmente, o tamanho do acelerador de partículas é bastante grande.

Mas os pesquisadores da Universidade de Stanford conseguiram construir um acelerador de partículas que cabe dentro de um chip de silicone. Esse dispositivo usa laser infravermelho para acelerar os elétrons. Isso é feito em uma fração da velocidade de um acelerador de partículas maior. Como, por exemplo, o que tem 3,2 quilômetros de comprimento do Centro de Aceleração Linear de Stanford (SLAC).

Esse chip emite pulsos de luz infravermelha pelo silicone que é capaz de acelerar elétrons no momento e ângulo certos, a fim de acelerá-los.

No acelerador de tamanho normal como o SLAC, rajadas de microondas são usadas para dar a maior aceleração possível. E em seu pico de energia, eles medem 10 centímetros. Enquanto a luz vermelha tem um comprimento de onda, de um décimo da largura de um cabelo humano.

Por causa disso, a luz infravermelha pode acelerar elétrons em distâncias bem mais curtas, com recursos físicos 100 mil vezes menores. E esse tamanho minúsculo, na prática, exige uma nova abordagem na engenharia, baseada em fotônica litografia, integrada em silicone.

Engenharia

Para criação do chip, os cientistas usaram engenharia reversa. Eles fizeram um algoritmo, para descobrir quanta energia luminosa, eles queriam que o chip fornecesse. E também como construir as estruturas em uma nanoescala, necessária para colocar os fótons em contato adequado com o fluxo de elétrons.

Esse algoritmo sugeriu um layout que, provavelmente, não seria imaginado com facilidade pelos pesquisadores. Eram canais em nanoescala, gravados em silício, selados a vácuo, pelos quais os elétrons fluem em locais estratégicos.

O laser pisca 100 mil vezes por segundo, e cada vez que ele faz isso, uma explosão de fótons atinge um monte de elétrons e isso os acelera para a frente.

Novo

Esse chip acelerador é apenas um protótipo. Mas os pesquisadores dizem que essa tecnologia pode ser ampliada para dar aceleração suficiente, para fazer experimentos inovadores em vários campos da química, biologia e ciência dos materiais.

"Os maiores aceleradores são como telescópios poderosos. Existem poucos no mundo e os cientistas precisam vir a lugares como o SLAC para usá-los. Queremos miniaturizar a tecnologia de uma maneira que a torne uma ferramenta de pesquisa mais acessível", disse Jelena Vuckovic, uma das principais autoras do novo estudo.

O chip também pode ter várias aplicações práticas. Esse pequeno acelerador pode ser usado em terapias de radiação contra o câncer. Atualmente, as máquinas são grandes e seus feixes de radiação também. Além disso, tais feixes podem ser difíceis de serem concentrados nos tumores. E isso faz com que os pacientes fiquem sujeitos a um maior potencial de danos colaterais.

"Neste artigo, começamos a mostrar como é possível enviar radiação de feixe de elétrons, diretamente para um tumor, deixando tecidos saudáveis inalterados", explicou o físico Robert Byer, outro autor do estudo.

Futuro

O objetivo final dos pesquisadores é acelerar elétrons a 94% da velocidade da luz, ou a um milhão de elétrons-volt (1MeV). Esse fluxo seria potente o suficiente, para permitir experimentos científicos e aplicações médicas.

O protótipo ainda é mil vezes mais fraco. Mas ele já tem as funções críticas necessárias para criar aceleração integrada no chip. Então, escalar a tecnologia não deve ser complicado. Os pesquisadores querem atingir essa meta em um dispositivo de aproximadamente três centímetros, até o fim de 2020.

As capacidades do chip serão menores do que as de um acelerador como o SLAC, 30 mil vezes mais potente do que a 1MeV. Mas a equipe acredita que existe espaço para que dispositivos, baseados em luz, possam crescer muito mais ainda. Do mesmo modo, para que possam desafiar instrumentos operados por microondas no futuro.


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Bruno Dias
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